Vermessungsstative

Vermessungsstative White Paper
Merkmale und Einflüsse
März 2010
Daniel Nindl, Mirko Wiebking
Heerbrugg, Schweiz
2
Vermessungsstative –
Merkmale und Einflüsse
Daniel Nindl, Mirko Wiebking
Kurzfassung
Vermessungsfachleute vergessen bei ihrer täglichen
Arbeit oft, wie wichtig Vermessungszubehör für die
Messgenauigkeit ist. Bei Präzisionsmessaufgaben und
Messungen über längere Zeiträume wirkt sich das
verwendete Zubehör jedoch in erheblichem Maß auf
die Genauigkeit der Ergebnisse aus. Kenntnisse über
den Einfluss des Messzubehörs auf die Messgenauigkeit sind daher unerlässlich.
Dieses White Paper gibt Aufschluss darüber, wie stark
sich verschiedene Stative unter Belastung verformen
und wie sich die Deformationen auf die Genauigkeit
der Messergebnisse auswirken. Die Anforderungen an
Stative hinsichtlich Höhenstabilität unter Last und
Verdrehsteifigkeit sind in der ISO-Norm 12858-2
geregelt. Leica Geosystems berücksichtigt zusätzlich
noch die horizontale Verschiebung. Für das vorliegende White Paper wurden diese drei Eigenschaften bei
verschiedenen Stativen getestet. Anhand der Ergebnisse werden Empfehlungen zur Wahl des geeigneten
Stativs je nach Vermessungsinstrument und Anwendung ausgesprochen.
Alle Tests wurden unter konstanten Laborbedingungen durchgeführt, um eine optimale Vergleichbarkeit
zu erzielen. Der Einfluss von Temperatur und Luftfeuchtigkeit wurde nicht berücksichtigt. Um
vergleichbare Ergebnisse zu erzielen, wurden alle
Stativklammern mit Hilfe eines Drehmomentschlüssels
mit derselben Drehkraft angezogen.
Von jedem Stativtyp von Leica Geosystems wurden
zwei Stück getestet. Um vergleichbare Ergebnisse für
ein Fiberglasstativ zu ermitteln, wurden auch zwei
Trimax Stative von Crane Enterprises in alle Tests
einbezogen. Die Testresultate waren für Stativ A und
Stativ B jedes Typs (Modells) praktisch identisch. Aus
diesem Grund werden jeweils nur die Ergebnisse von
Stativ A grafisch dargestellt.
Das vorliegende Dokument folgt der nachstehenden
Struktur:
Qualitätskriterien: Beschreibung der maßgeblichen
Testparameter
Testergebnisse: Zusammenfassung und Beurteilung der Testergebnisse
Empfehlungen für den Benutzer
Qualitätskriterien: Standardisierte Qualitätsmessungen gemäß ISO-Norm 12858-2
Laut ISO-Norm 12858-2 werden Stative in schwere
und leichte Stative unterteilt. Ein schweres Stativ
muss eine Masse von über 5,5 kg aufweisen. Dieser
Stativtyp kann Vermessungsinstrumente mit bis zu
15 kg aufnehmen. Leichte Stative sind nur für Instrumente mit weniger als 5 kg geeignet. Bei den Instrumenten von Leica Geosystems sind das: Builder TPS,
GPS-Antennen und Prismen.
Höhenstabilität
Laut ISO-Norm darf sich die Position des Stativkopfes
entlang der Vertikalen um nicht mehr als 0,05 mm
ändern, wenn das Stativ das Doppelte der eigentlichen Tragkraft aufnehmen muss. Aus diesem Grund
müssen die schweren Stative GST120-9, GST101 und
Trimax mit 30 kg getestet werden. Die als leicht zu
klassifizierenden Stative GST05, GST05L und GST103
wurden mit 10 kg getestet.
Abbildung 1 - Qualitätsmanagement-Schritte beim Dreifuß
von Leica Geosystems
Die definierte vertikale Verformung von 0,05 mm ist
so gering, dass sie für die TPS-Winkelgenauigkeit
nicht signifikant ist. Bei Präzisionsnivellements sollte
die Höhenstabilität des Stativs jedoch miteinbezogen
werden.
Aufgrund der geforderten Messgenauigkeit und um
einen automatisierten Messablauf zu ermöglichen,
wurde zur Messung der Vertikalverformung des Stativs ein Leica DNA03 Digitalnivellier verwendet. Die
Deformationen wurden auf einer GWCL60 Invarlatte
(einem Invarmaßstab), die an der Fixierschraube des
Stativs montiert war, abgelesen (vgl. Abbildung 1).
3
schleunigen und Abbremsen einen horizontalen Drehmoment von 56 Ncm ausübt. Mit Hilfe der Anwendung “Satzmessung” wurde automatisch abwechselnd auf zwei Prismen gemessen. So wurde während
des Beobachtungszeitraums eine kontinuierliche Drehung in beide Richtungen erzielt. Die Messungen wurden mindestens 200 Sekunden lang aufgezeichnet. Zur
Messung der Verdrehsteifigkeit wurden die Verformungen mit einem elektronischen Kollimator anhand des
Autokollimationsprinzips überwacht. Eine Ausgangsfrequenz von 16 Hz gewährleistete ein schnelles Tracking
der Verformungen. Zwischen dem Stativkopf und dem
Dreifuß wurde eine eigens angefertigte Platte angebracht. Die Messungen erfolgten auf einen an dieser
Platte angebrachten Spiegel. In der Abbildung 2 ist ein
zweiter Spiegel sichtbar, der am Dreifuß montiert ist. So
konnten zusätzliche Messungen vorgenommen werden,
die Auskunft über den kombinierten Einfluss von Stativ
und Dreifuß auf das Vermessungsinstrument geben.
Zuerst wurden 100 Messungen ohne Belastung des
Stativs vorgenommen. Mit Hilfe einer Umlenkrolle
wurde vorsichtig ein Gewicht auf den Stativteller
abgelassen. Nach weiteren 400 Messungen wurde
das Gewicht wieder entfernt.
Verdrehsteifigkeit
Wenn sich ein Vermessungsinstrument dreht, bewirken die Kräfte eine horizontale Rotation der Stativkopfplatte. Die Verdrehsteifigkeit ist die Fähigkeit des
Stativs, diese horizontale Drehung zu absorbieren
und in seine Ausgangsposition zurückzukehren, wenn
das Vermessungsinstrument ruht. Die Präzision, mit
der die Orientierung des Stativs in die Ausgangsposition zurückkehrt, wird als Hysterese bezeichnet.
Horizontale Verschiebung
Bei der Messung der horizontalen Verschiebung eines
Stativs wird ermittelt, wie sich die Orientierung des
Stativs im Laufe der Zeit verändert. Die horizontale
Verschiebung ist nicht in der ISO-Norm geregelt, wird
jedoch von Leica Geosystems aus Gründen der Qualitätssicherung trotzdem geprüft.
Zur Ermittlung wurde eine ähnliche Messmethode wie
für die Verdrehsteifigkeit gewählt; die Messdauer
wurde jedoch auf mindestens drei Stunden erhöht.
Zur Verringerung der Menge an Messdaten wurde die
Kollimatorfrequenz auf 0,5 Hz reduziert.
Abbildung 2 - Am Stativ und am Dreifuß angebrachte
Autokollimationsspiegel erkennen Rotationsverformungen
Gemäß ISO-Norm beträgt die maximal zulässige
Hysterese bei einer Drehung des Stativtellers um
cc
cc
200 (ca. 70”) bei schweren Stativen 10 (3”) und
cc
bei leichten Stativen 30 (10”). Um praxisnahe Ergebnisse zu erzielen, wurde der Einfluss eines sich drehenden, motorisierten Vermessungsinstruments getestet. Verwendet wurde ein TPS1200, das beim BeModellbezeichnung
Material
Oberflächenbehandlung
Fußverstellung
Hergestellt in
Wieder wurde das TPS1200 auf dem Dreifuß angebracht. Das Instrument verharrte während der gesamten Messdauer jedoch in stationärer Position.
Tabelle 1 - Geprüfte Stativmodelle
GST120-9
GST101
Trimax
GST05
GST05L
GST103
Buchenholz
Kiefernholz
Fiberglas
Kiefernholz
Aluminium
Aluminium
Öl und Farbe
Farbe
Keine
PVCBeschichtung
Keine
Keine
Schraube
seitlich
Schraube
seitlich
Schnellverschluss
Schraube
mittig
Schraube
mittig
Schraube
seitlich
Ungarn
China
USA
Ungarn
Ungarn
China
Gewicht
6,4 kg
5,7 kg
7,4 kg
5,6 kg
4,6 kg
4,5 kg
Maximale Höhe
180 cm
166 cm
175 cm
176 cm
176 cm
167 cm
ISO-Klassifikation
Schwer
Schwer
Schwer
Leicht
Leicht
Leicht
4
Das Vermessungsinstrument übt also keine Drehkraft
auf das Stativ aus. Die Bewegung des Stativs ist ausschließlich auf die Last des Instruments zurückzuführen.
Tabelle 1 enthält einen Überblick über die unterschiedlichen Eigenschaften der getesteten Stativmodelle.
Testergebnisse – Höhenstabilität
Abbildung 3c - Crain Trimax Fiberglasstativ
Mit einer Höhenstabilität von 0,02 mm erweist sich
das GST120-9 als Testsieger.
Leichte Stative
Bei den leichten Stativen erzielte das GST05 das beste Ergebnis. Mit einer Last von 10 kg verformt sich
das Stativ um maximal 0,02 mm.
Abbildung 3a - Leica GST120-9 Stativ
Die Beine des GST101 sind 14 cm kürzer als jene des
GST120-9, was für höhere Stabilität sorgt.
Abbildung 4a - Leica GST05 Stativ
Im Vergleich zum hölzernen GST05 weist das GST05L
eine geringfügig höhere vertikale Verformung von
0,03 mm auf.
Abbildung 3b - Leica GST101 Stativ
Die Verformung des Trimax beträgt maximal 0,05 mm.
Dieser Wert bewegt sich am Rand der ISO-Vorgaben.
Im Gegensatz zu den Stativen von Leica Geosystems,
die allesamt Schraubklammern zur Fixierung verwenden, besitzt das getestete Trimax Schnellverschlüsse
zur Höhenverstellung. Möglicherweise sind diese
Schnellverschlüsse die Ursache für die mangelhafte
Höhenstabilität.
Abbildung 4b - Leica GST05L Stativ
Das GST103 verhält sich mit einer maximalen vertikalen Bewegung von 0,03 mm ähnlich wie das GST05L.
Obwohl es sich dabei ebenfalls um ein für weniger
genaue Vermessungsinstrumente empfohlenes, kostengünstiges Produkt handelt, werden die
ISO-Kriterien erfüllt.
5
cc
ermittelte Amplitude liegt mit 6 (2”) doppelt so hoch
wie die der anderen schweren Stative. Die insgesamt
zu verzeichnende lineare Tendenz weist darauf hin,
dass die Hysterese während der Aufstelldauer konstant zunimmt.
Abbildung
Abbildung 4c - Leica GST103 Alustativ
Testergebnisse – Verdrehsteifigkeit
Abbildung 5b - Leica GST101 Holzstativ
Die großen Spitzen treten beim Beschleunigen und
Abbremsen des sich drehenden VermessungsInstruments auf. Da währenddessen keine Winkelwerte mit
dem Instrument erfasst werden können, sind diese
Einflüsse vernachlässigbar. Der Hysteresewert wird
durch die Analyse der maximalen Amplitude der Kurve
ermittelt, wobei die Spitzen unberücksichtigt bleiben.
Die Ergebnisse zeigen deutliche Stabilitätsunterschiede zwischen schweren und leichten Stativen.
Die Verformung bei leichten Stativen kann ein Vielfaches der Deformation bei schweren Stativen betragen. Bei den Fiberglas- und Aluminiumstativen lässt
sich darüber hinaus insgesamt eine lineare Tendenz
beobachten, d. h. die Orientierung des Vermessungsinstruments nimmt zunehmend falsche Werte an.
Abbildung 5c – Crain Trimax Fiberglasstativ
Leichte Stative
Von allen getesteten Stativen weist das GST120-9 mit
cc
2 (0.7”) die geringste Hysterese auf. Die Stativkopfplatte bleibt während des gesamten Messvorgangs äußerst stabil.
Bei den leichten Stativen ist das hölzerne GST05 mit
cc
einer Hysterese von 8 (2.7”) das stabilste.
Beide Aluminiumstative weisen im Laufe der Zeit eine
große Rotationsabweichung auf. Nach 200 Sekunden
cc
liegt das GST05L bei einer Hysterese von 11 (3.7”),
cc
das GST103 bei einer Hysterese von 30 (10”). Diese
30cc (10'') entsprechen dem höchstzulässigen Wert
der ISO-Vorgabe für leichte Stative.
Abbildung
Abbildung 5a - Leica GST120-9 Stativ
Abbildung 6a - Leica GST05 Stativ
Schwere Stative
Die Ergebnisse des GST101 weisen eine ähnlich niedcc
rige Amplitude von 3 (1”) auf. Die für das Trimax
6
Abbildung 6b - Leica GST05L Stativ
Abbildung 7a - Leica GST120-9 Stativ
cc
Das CTP101 weist mit maximal 4 (1.3”) die geringste
Verschiebung auf.
Abbildung 6c - Leica GST103 Stativ
Testergebnisse – Horizontale
Verschiebung
Ähnlich wie bei der Prüfung der Verdrehsteifigkeit
büßten die Fiberglas- und Aluminiumstative im Laufe
der Zeit einiges an Orientierung ein. Orientierungsverluste treten vor allem in den ersten ca. 1200 Sekunden auf. Danach bleibt das aus Fiberglas hergestellte
Trimax stabil. Die Aluminiumstative drehen sich weiter, wenn auch mit einer geringeren Änderungsrate.
Abbildung 7b - Leica GST101 Stativ
cc
Nach dem Aufstellen zeigt das Trimax mit 12 (4”)
innerhalb der ersten 600 Sekunden eine rasche, starke Verschiebung. Nach ca. 20 Minuten pendelt sich
cc
das Trimax jedoch stabil bei 14 (4,7”) ein.
Schwere Stative
Beim GST120-9 ist während des gesamten Messzeitraums eine konstante, lineare Veränderung zu vercc
zeichnen. Mit 7 (2.3”) nach 3 Stunden bleibt die
Verschiebung jedoch gering.
Abbildung 7c - Crain Trimax Stativ
Leichte Stative
cc
Mit einer Verschiebung von weniger als 3 (1”) hat
sich das GST05 als das stabilste getestete Modell
erwiesen. Die Aluminiumstative verformen sich während der gesamten Messdauer weiter. Nach 3 Stuncc
den zeigt das GST05L eine Verschiebung von 23
cc
(7.7”), das GST103 eine Verschiebung von 9 (3”).
7
Original vs. Kopie
Am Markt sind verschiedene Kopien der Leica Stative
erhältlich.
Aufgrund ihrer bekannten Qualität werden die Stative
von Leica Geosystems vielfach als Qualitätsmaßstab
betrachtet.
Abbildung 8a - Leica GST103 Stativ
Abbildung 8b - Leica GST05L Stativ
Abbildung 8c - Leica GST05 Stativ
Tabelle 2 - Qualitätsmanagement-Schritte bei der Herstellung der Leica Geosystems Stative
Deshalb werden die Leica Stative oft kopiert. Mehrere
Hersteller haben den Markt mit billigen Produktkopien
überschwemmt, die den Qualitätsstandards von Leica
Geosystems nicht entsprechen. Die rechte Spalte in
Tabelle 2 enthält alle zur Herstellung eines echten
Leica Stativs erforderlichen Schritte. Der Großteil
dieser Schritte ist für den Anwender nicht sichtbar,
doch in Einhaltung unserer strengen Qualitätsgrundsätze garantieren wir unseren Kunden beste Produkte.
8
Empfehlungen für den Benutzer
Tabelle 3 enthält eine Zusammenfassung aller im Rahmen des Tests ermittelten Messergebnisse. Bei den angegebenen Werten handelt es sich um die während der
Messdauer aufgetretenen Maximalfehler. Zur Bestimmung der Auswirkungen auf die TPS-Genauigkeit ist in
der Tabelle auch der Hysteresewert des Dreifußes angegeben. Leica Geosystems empfiehlt die Verwendung des
GDF121 (1”) mit schweren bzw. des GDF111-1 (3”) mit
leichten Stativen. Die möglichen Einflüsse zeigen klar,
dass sich Stativ und Dreifuß wesentlich auf die TPSWinkelgenauigkeit auswirken. In Bezug auf das Material
hat sich Holz als stabilster Werkstoff für Stative erwiesen. Das GST120-9 erzielte die besten Ergebnisse in
puncto Höhenstabilität und Verdrehsteifigkeit. Es ist
daher für die Verwendung mit allen Leica TPSInstrumenten geeignet. Bei der horizontalen Verschiebung wies das hölzerne GST05 über einen längeren Zeitraum die geringste Verformung auf. Dieses Stativ ist
daher ideal für GPS-Antennen und Prismen, deren Aufstellung üblicherweise langfristig erfolgt.
Aluminiumstative bieten bei mangelhafter horizontaler Orientierung eine gute Höhenstabilität. Von ihrer
Verwendung im Zusammenhang mit Winkelmessinstrumenten wird abgeraten. Da Aluminiumstative
günstiger, leichter und haltbarer sind als Holzstative,
wird ihr Einsatz bei Nivellieraufgaben empfohlen.
Wie aus den Diagrammen zur horizontalen Verschiebung
hervorgeht, weisen Aluminium und Fiberglas innerhalb
der ersten 20 Minuten nach der Aufstellung erhebliche
Verformungen auf. Um zuverlässige Messergebnisse zu
erzielen, sollte in Betracht gezogen werden, diesen Zeitraum vor der Aufnahme der Messungen verstreichen zu
lassen. Zudem sollte die Orientierung während des Messvorgangs regelmäßig geprüft werden.
Die Stativtests wurden unter Laborbedingungen durchgeführt. Beim Einsatz im Feld wirken sich jedoch noch weitere Einflüsse, wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Untergrund, Wind usw., auf die Stabilität aus. Auch mit zunehmendem Alter der Stative ist von Stabilitätsverlusten
auszugehen. Aus diesem Grund muss bei der Ermittlung
der erzielbaren Winkelgenauigkeit immer auch der Einfluss von Stativ und Dreifuß mitberücksichtigt werden.
Anhand der Werte in der Tabelle kann das für die jeweilige Vermessungsanwendung am besten geeignete Stativ
ausgewählt werden. Für Präzisionsmessungen über lange
Zeiträume wird die Verwendung eines Betonpfeilers empfohlen. Alternativ sollte zur Kompensation dieser Fehler
ein gründlich durchdachtes Messverfahren angewendet
werden.
GST120-9
GST101
Trimax
Alle TPS
Alle TPS
TPS >5”
Buchenholz
Kiefernholz
Schwer
Höhenstabilität
Hysterese Stativ
Modellbezeichnung
GST05
GST05L
GST103
GPS-Antenne
Prismen
Prismen
Prismen
Nivelliere
Nivelliere
Fiberglas
Kiefernholz
Aluminium
Aluminium
Schwer
Schwer
Leicht
Leicht
Leicht
0,02 mm
0,03 mm
0,05 mm
0,02 mm
0,03 mm
0,03 mm
1” (2cc)
1” (3cc)
2” (6cc)
3” (8cc)
4” (11cc)
10” (30cc)
Hysterese Dreifuß
1” (3cc)
1” (3cc)
1” (3cc)
3” (10cc)
3” (10cc)
3” (10cc)
Max. möglicher Einfluss
2” (5cc)
2” (6cc)
3” (9cc)
6” (18cc)
7” (21cc)
13” (40cc)
Hz-Verschiebung nach
3 Stunden
2” (7cc)
1” (4cc)
5” (14cc)
1” (3cc)
8” (23cc)
3” (9cc)
Geeignet für welches
Leica Produkt
Material
ISO-Klassifikation
Tabelle 2 - Übersicht über Ergebnisse und Empfehlungen
Quelle
Beim vorliegenden White Paper handelt es sich um eine
Kurzfassung der Diplomarbeit Genauigkeitsanalyse von
Vermessungsstativen und Dreifüßen unter der Belastung
verschiedener Instrumente. Die Diplomarbeit wurde im
Vermessungsinstruments. Die Ergebnisse der DreifußAnalyse können in einem anderen White Paper mit dem
Titel “Vermessungsdreifüße – Merkmale und Einflüsse”
nachgelesen werden.
Jahr 2006 von Daniel Nindl vom Institut für Geodäsie der
Technischen Universität Wien unter der Betreuung von
Mirko Wiebking von der Leica Geosystems AG Heerbrugg
verfasst. Zweck der im Rahmen der Diplomarbeit durchgeführten Studie war eine Analyse der Auswirkungen von
Stativen und Dreifüßen auf die Genauigkeit des
9
Ob Sie eine Brücke oder einen Vulkan überwachen, einen Wolkenkratzer oder einen Tunnel vermessen, eine Baustelle abstecken oder Kontrollmessungen durchführen wollen – Sie benötigen immer eine zuverlässige Ausrüstung. Mit dem hochwertigen Zubehör von Leica Geosystems sind Sie für alle Aufgaben bestens gerüstet. Durch die Verwendung von Leica Geosystems Originalzubehör stellen Sie sicher, dass Ihr
Instrument jederzeit spezifikationsgemäss arbeitet. Auf die Genauigkeit, Qualität und Langlebigkeit unseres Zubehörs können Sie sich
verlassen. So sind präzise, zuverlässige Messungen jederzeit gewährleistet und Sie nutzen Ihr Leica Geosystems Instrument optimal.
When it has to be right.
Abbildungen, Beschreibungen und technische Daten unverbindlich.
Gedruckt in der Schweiz. Copyright Leica Geosystems AG, Heerbrugg, Switzerland, 2010.
VII.10 –INT
Leica Geosystems AG
Heerbrugg, Schweiz
www.leicawww.leica-geosystems.com